Les batteries à semi-conducteurs semblent être la frontière la plus prometteuse pour le prochain grand bond en avant dans la mobilité électrique. La principale différence réside dans l’utilisation d’un électrolyte solide au lieu de liquide à la base des cellules lithium-ion actuelles, promettant de grands avantages en termes d’énergie pouvant être stockée pour une même masse et un même volume. En effet, les accumulateurs à l’état usuel sont potentiellement capables de garantir une densité d’énergie double par rapport à celle actuellement disponible sur le marché, correspondant spannométriquement à un doublement de l’autonomie du véhicule pour un même poids de batterie. D’autres gains attendus incluent la possibilité d’une recharge plus rapide et la suppression du risque d’incendie présent avec les unités lithium-ion actuelles.
Mais il y a aussi les limites de cette technologie encore à l’état embryonnaire, qui pour l’instant ne permettent pas sa diffusion immédiate sur le marché. Les principales contraintes comprennent la conductivité électrique inférieure de l’électrolyte solide par rapport à la contrepartie liquide, ainsi que la plus grande résistance à la conduction trouvée à l’interface entre les électrodes et l’électrolyte. La recherche d’une équipe composée de membres s’est concentrée sur ce dernier aspect du MIT, du Massachusetts Institute of Technology et du Brookhaven National Laboratory. Les résultats ont été diffusés dans la publication Matériaux énergétiques avancés écrit en mars dernier par le doctorant Younggyu Kim, par le professeur de sciences et matériaux nucléaires Bilge Yldiz, par Iradikanari Waluyo et Adrian Hunt du Brookhaven National Laboratory.
L’un des problèmes actuels dans la réalisation de cellules à l’état solide concerne le couplage entre l’électrolyte, typiquement à matrice céramique, et les électrodes. Afin d’éliminer tout entrefer et d’établir une liaison solide entre les deux pièces capable de garantir une conductivité électrique élevée, le procédé est basé sur un procédé de frittage à plus de 1000°C, de sorte que les atomes à l’interface entre l’électrolyte et l’électrode migrent l’un vers l’autre composant, créant un lien physique. Collatéralement, cependant, les températures élevées du procédé génèrent des réactions chimiques délétères en présence de dioxyde de carbone, même lorsque ce dernier est présent dans les concentrations minimales typiques de l’atmosphère, exprimées en parties par million. Les produits de ces réactions augmentent la résistance électrique à l’interface, ce qui rend nécessaire l’application d’une couche de revêtement supplémentaire lors du processus de frittage.
Des recherches du MIT et du Brookhaven National Laboratory ont montré comment, en réalisant le procédé dans un environnement d’oxygène pur sans la moindre présence de dioxyde de carbone, il est possible d’obtenir une liaison avec d’excellentes caractéristiques électriques jusqu’à une température de 700°C. De cette manière, le processus de fabrication pourrait potentiellement se passer de l’application du revêtement supplémentaire, économisant du temps et des ressources. Les résultats montrent des valeurs de résistance électrique à l’interface égales aux meilleures enregistrées jusqu’à présent dans la littérature, à la différence cette fois de ne pas avoir recours au revêtement typique. Le professeur Yldiz a commenté cette étape importante dans MIT News : « Ce que nous proposons est une procédure relativement simple dans la fabrication de cellules qui n’ajoute pas une grande pénalité énergétique au processus de fabrication. Nous pensons qu’il peut être facilement adopté pour la production ».
L’équipe de recherche est maintenant engagée dans l’évaluation du comportement à long terme de la liaison résultante. S’il se confirmait, le résultat représenterait un nouveau petit pas en avant dans la science des accumulateurs à semi-conducteurs, dont la diffusion sur le marché à grande échelle pourrait être plus proche qu’on ne le pense.